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月球伽玛能谱数据处理试验研究

杨佳  
【摘要】: 研究月表物质成分及分布特征,能够为月球地质解译提供依据,有助于进一步理解月球的形成及演化过程。月表物质与宇宙射线的相互作用,以及月表天然放射性元素的衰变都会产生伽玛射线。由于月球大气层稀薄,伽玛射线谱仪能够从环月轨道上探测到月表发出的伽玛射线。根据所观测到的伽玛射线的能量和照射量率,能够推定月表元素的种类和丰度。 嫦娥一号(CE1)卫星是中国发射的首颗探月卫星。嫦娥一号伽玛射线谱仪(CE1-GRS)是CE1卫星搭载的主要载荷之一,该谱仪的探测任务是从200公里的环月轨道上对月表进行为期一年的有效探测,以此获取月表物质类型和资源分布特征。CE1卫星按极地轨道绕月飞行,CE1-GRS被安放在卫星体内,尺寸为Φ118×78mm的CsI(Tl)主晶体位于仪器中央,周围是实现反符合功能的CsI(Tl)晶体。 虽然能够借鉴国外开展环月轨道伽玛射线能谱数据处理的研究方法,但不同的月球轨道伽玛射线测量实验所采用的探测器类型、伽玛谱仪的结构、性能,以及测量条件、参数等方面迥异,从而使获取的月球伽玛能谱特征也存在差异。本文利用CE1-GRS获取的月球伽玛能谱的3级和2C级数据,开展了CE1-GRS数据处理的相关技术方法研究和月表元素含量反演与填图的试验研究;初步完成了月表天然放射性元素U、Th、K的含量填图。得出的主要结论如下: ⑴针对CE1-GRS的3级数据难以从谱形特征直接进行定性分析的问题,提出了基于奇异值分解的谱线定性分析方法对CE1-GRS谱线进行定性分析。分析结果表明,该方法能够识别出U、Th、K、Fe、Ti、Si、O、Al、Mg和Ca等10种元素。 ⑵针对各5o×5o月表区域平均伽玛谱线存在高本底弱特征峰的问题,提出采用基于迭代思想的本底估计方法对散射本底进行估计。结果表明,该方法能够近似估计出谱线中的散射本底数据,从本底扣除后的谱线中能够有效地提取出弱峰信息,有利于对谱线进行定性定量分析。 ⑶针对各5o×5o月表区域平均伽玛谱线中,统计涨落现象仍然明显的问题,提出了将航空伽玛能谱数据降噪处理的噪声调整的奇异值分解(NASVD)方法用于对月球伽玛能谱数据集进行降噪处理,实验结果表明,其降噪效果明显优于传统的谱线降噪方法,从而提高了求解元素特征峰面积计数的精度。 ⑷提出了CE1-GRS的2C级数据处理的流程与方法,采用月表天然放射性元素(U、Th、K)含量反演模型,获得了月表天然放射性元素的全月含量分布图。对CE1-GRS第一正飞期2C级谱线数据进行了数据筛选、宇宙射线校正、能谱累计、能谱降噪处理、本底估计及扣除。在散射本底扣除后的谱线中,能够识别出U、Th、K、Fe、Mg、Si、Al和O八种元素。采用能窗峰面积求和法、高斯拟合峰面积求和法,提取出了Th、K元素的特征峰面积计数。 由于CE1-GRS的能量分辨率不够高,在伽玛谱线中,U的0.609MeV伽玛射线、Th的0.583MeV伽玛射线以及由电子对效应产生的0.511MeV伽玛射线的计数贡献构成了一个重峰。为了求解U元素的0.609MeV伽玛射线计数值,采用“相对定标本底扣除法”近似估计出包括湮没辐射峰0.511MeV在内的本底计数贡献,通过Th的2.615MeV与0.583MeV的衰变比例确定出0.583MeV伽玛射线的计数贡献,从而计算出了重峰区中U的0.609MeV特征伽玛射线计数值。利用月表天然放射性元素含量反演模型获取U、Th、K元素含量,绘制出这三种元素的全月含量分布图,并对元素含量反演结果的不确定性进行了初步分析。 ⑸利用所获取的月表天然放射性元素分布图,初步分析U、Th、K元素的分布特征为:月表U、Th、K元素之间具有高度相关性,三种天然放射性元素的主要分布特征基本一致。U、Th、K含量高的区域主要集中在月球正面的西部月海区及其附近;而含量次之的区域位于南极爱特肯盆地内。在月球背面,天然放射性元素含量普遍表现为低值特征。


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